中國粉體網訊 在熱管理領域，陶瓷材料由于普遍具有較高的導熱系數，一直是熱門材料，目前最火的應用有熱界面材料中的陶瓷導熱填料以及陶瓷基板。令人不解的是，碳化硅作為應用最廣泛的陶瓷材料之一，明明擁有很高的熱導率，卻并沒有在導熱填料和散熱基板領域實現廣泛的應用，而氮化鋁、氮化硅、氧化鋁、氮化硼等陶瓷材料卻混的風生水起。
01.碳化硅有很高的導熱性能
SiC晶體的主要結構基本單元是Si原子和C原子通過sp3 共價鍵結合在一起形成的正四面體。這些原子堆積成兩個主配位四面體SiC4 和CSi4 結構，其中四個C或Si原子連接到一個中心Si或C原子上。這些四面體通過其角連接緊密堆積形成的結構稱為多型體，其在平行堆積平面的維度上的堆積順序相似，但在垂直堆積平面的維度上的堆疊順序則有所不同。典型的SiC多型體結構有3C、4H、6H和15R-SiC等（其中數字表示多型體結構的層數，字母表示晶格的對稱性，如C：立方體；H：六角形；R：菱面體）。
3C-SiC與4H、6H-SiC的性能參數
碳化硅的晶體結構賦予了其特殊的物理性質和熱學性質，其理論導熱率可以達到490W•m−1•K−1，在非金屬材料中已屬佼佼者。國外伊利諾伊大學的研究人員發現立方碳化硅(3C-SiC)塊狀晶體的導熱系數僅次于金剛石單晶。
即便達不到單晶490W/（m·K）的導熱上限，碳化硅顆粒作為導熱填料熱導率也能達到80~120W/（m·K），碳化硅陶瓷的熱導率最高也能達到270W/（m·K），從導熱系數看，其導熱性能完全滿足要求甚至是領先其他的陶瓷材料，那究竟因為什么而較少用于導熱填料和散熱基板方面呢？
02.導熱填料方面，都是它惹的禍！
我們知道熱界面材料主要是一類聚合物復合材料，以聚合物為基體，與高導熱填料共混形成，由于聚合物的熱導率很低，所以復合材料導熱率的提升主要依靠導熱填料的作用。
需要注意的是，絕緣材料中引入無機粒子會嚴重改變材料的電阻和擊穿強度。無機粒子與材料本體之間的電導率和介電常數相差越大，高導熱絕緣材料在應用過程中內部電場畸變越強烈，電場高度集中致使材料擊穿強度降低。因此，制備高導熱復合絕緣材料時，應當選取電絕緣性能優良、低介電常數和低損耗的與聚合物本體電學性能相近的無機粒子作為導熱填料。
常用陶瓷材料性能
SiC的介電性能較差，采用SiC作為導熱填料不可避免會導致復合材料介電性能的弱化，因而在高絕緣聚合物復合材料中的應用受到了一定的限制。
當前，氧化鋁、氮化鋁、氮化硼是主要的陶瓷填料。
雖然與其他顆粒相比，氧化鋁本征熱導率較低，但其具有較低的成本仍得到了廣泛的研究與應用。
與其他導熱絕緣填料相比，氮化鋁粒子由于具有高導熱系數（理論熱導率為320W/（m·K））、高電阻率（電阻率大于1014Ω·ｍ）、較低的介電常數和介電損耗、低熱膨脹系數（4.4×10-6Ｋ-1，與硅相近）和無毒等一系列優良特性而受到廣泛研究，成為導熱復合材料的的理想填料。
六方氮化硼
六方氮化硼是目前最受關注的陶瓷填料，它擁有類似于石墨的層狀結構，不僅熱導率較高，而且擁有優異的絕緣性能（介電常數約為4.0，電阻率約為1015Ω·cm），是目前為止最理想的絕緣導熱填料。
03.陶瓷基板方面，還是它惹的禍！
陶瓷材料本身具有熱導率高、耐熱性好、高絕緣、高強度、與芯片材料熱匹配等性能，非常適合作為功率器件封裝基板，目前已在半導體照明、激光與光通信、航空航天、汽車電子、深海鉆探等領域得到廣泛應用。
作為封裝基板，要求陶瓷基片材料具有如下性能：
(1)熱導率高，滿足器件散熱需求；
(2)耐熱性好，滿足功率器件高溫(大于200°C)應用需求；
(3)熱膨脹系數匹配，與芯片材料熱膨脹系數匹配，降低封裝熱應力；
(4)介電常數小，高頻特性好，降低器件信號傳輸時間，提高信號傳輸速率；
(5)機械強度高，滿足器件封裝與應用過程中力學性能要求；
(6)耐腐蝕性好，能夠耐受強酸、強堿、沸水、有機溶液等侵蝕；
(7)結構致密，滿足電子器件氣密封裝需求；
(8)其他性能要求，如對于光電器件應用，還對陶瓷基片材料顏色、反光率等提出了要求。
碳化硅基片
看得出來，像導熱填料一樣，陶瓷基板同樣對材料的介電性能有一定的要求，相對于其它陶瓷材料而言，碳化硅陶瓷相對介電常數為40，是AlN陶瓷的4倍，會導致信號延遲，影響產品的可靠性，限制了其高頻應用。此外，其不良的絕緣耐壓性也阻礙了其在散熱基板領域的應用。
陶瓷基板的性能參數
目前，常用電子封裝陶瓷基板材料包括氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化鈹等。
氧化鋁陶瓷因價格較低、穩定性好、絕緣性和機械性能較好，而且工藝技術純熟，是目前應用最為廣泛的一種陶瓷基板材料，但是Al2O3陶瓷的熱導率較低。
BeO陶瓷是目前較為常用的高導熱陶瓷基板材料，綜合性能良好，能夠滿足較高的電子封裝要求，但是BeO粉末有劇毒，大量吸入人體后將導致急性肺炎，長期吸入會引起慢性鈹肺病，這大大限制了它的應用。
相比之下，氮化鋁陶瓷的各項性能優異，尤其是高熱導率的特點，其理論熱導率可達320W/（m·K），其商用產品熱導率一般為180W/（m·K）~260W/（m·K），使其能夠用于高功率、高引線和大尺寸芯片封裝基板材料。
與其他陶瓷材料相比，Si3N4陶瓷材料具有明顯的綜合優勢，尤其是在高溫條件下氮化硅陶瓷材料表現出的耐高溫性能、對金屬的化學惰性、超高的硬度和斷裂韌性等力學性能。Si3N4陶瓷的抗彎強度、斷裂韌性都可達到AlN的2倍以上，特別是在材料可靠性上，Si3N4陶瓷基板具有其他材料無法比擬的優勢是目前綜合性能最好的陶瓷基板材料。
小結
話又說回來，碳化硅只是在導熱填料和散熱基板方面應用相對較少，在其它導熱領域仍能呼風喚雨，例如：在高溫領域，依靠優異的高溫物理特性，碳化硅陶瓷可用于工業窯爐的橫梁、輥棒等，在承擔結構支撐的同時，憑借其良好的導熱性能還能使窯爐更加節能；在加熱與熱交換工業領域，碳化硅陶瓷可用于噴火嘴，換熱器等。
參考來源：
[1]江漢文等.碳化硅在導熱材料中的應用及其最新研究進展
[2]楊達偉等.熱界面用導熱絕緣陶瓷填料的研究進展
[3]程浩等.電子封裝陶瓷基板
[4]杜伯學等.高導熱聚合物基復合材料研究進展
[5]中國粉體網
（中國粉體網/山川）
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